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L'histoire de la saleté des filtres


Qu'ils soient longs, courts, mais des filtres pour la société Tion Breather avec différents degrés de pollution (ou de temps d'utilisation) sont finalement arrivés à mes petites mains ludiques. Cela signifie qu'il est temps de verser une tasse de thé et de plonger dans un merveilleux microcosme de poussière filtrante et d'air sale.

Pour des détails intimes sur la vie des filtres en conditions réelles, bienvenue chez cat. Attention, il y aura beaucoup de photos du microscope électronique.

Dans un article précédent sur le blog d'entreprise de Tion, les principes et mécanismes de base du filtrage des particules sur un filtre tel que HEPA (classe de filtre H11) ont été décrits. Les filtres, même sans efficacité à 100%, sont capables de capturer assez efficacement les particules de saleté et de poussière. Typiquement, de telles études sont effectuées sur des systèmes modèles et standard, c'est-à-dire qu'un certain mélange de particules est prélevé et chassé dans un cercle filtre-pompe-filtre jusqu'à ce qu'un volume prédéterminé d'air soit pompé, puis, par exemple, la masse de la substance déposée sur le filtre est mesurée.

Ci-dessous, je montrerai comment les vrais filtres se salissent au fil du temps en utilisant les exemples fournis par Tion comme échantillons, bien que, bien sûr, les résultats puissent être extrapolés à tous les filtres à fibres modernes. Mais nous commencerons peut-être par une petite digression.

Filtres et leur technologie de fabrication


Tout d'abord , je voudrais répondre à la question de l' article précédent posée par l'utilisateur vesper sur les matériaux utilisés:
De quel type de fibres se compose le filtre HEPA? Pas des cotons?

Le filtre lui-même se compose de deux parties, pour plus de clarté et de brièveté, nous les appellerons la "base", qui donne la rigidité du filtre et qui ne participe pratiquement pas à l'acte de filtrage, et des "fibres filtrantes" flexibles avec une surface développée (en d'autres termes, une grande surface). La différence dans les diamètres de ces fibres dépasse l'ordre et varie de 1 à 10-20 microns ou microns (à titre de comparaison, le diamètre d'un cheveu humain standard est d'environ 80 microns)!

Le matériau à partir duquel les deux parties sont fabriquées est principalement, bien sûr, des fibres de polymère ou de verre, et non du coton. Le processus d'obtention des fibres s'est élaboré jusqu'à "l'automatisme" et le plus industrialisé possible. Donc, en utilisant l' électrofilage le polymère ou le verre liquide qui a traversé la filière (un tube très mince qui définit le diamètre de la fibre, il y en a généralement beaucoup - des milliers voire des dizaines de milliers) est «pulvérisé» sur le substrat, formant une grille.


Un tel électrofilage brillant et coloré. Source


Représentation schématique du processus d'électrofilage et de la formation d' un cône de Taylor . Source


La base (à gauche) et les fibres filtrantes (à droite) obtenues par filage électrolytique

Ensuite, le polymère est durci soit par la lumière, soit par la chaleur, soit d'une manière ou d'une autre. Hourra, le tapis filtrant est prêt! Il ne reste plus qu'à couper et emballer.

Bien entendu, la composition exacte, les paramètres de poinçonnage des matrices et autres savoir-faire technologiques sont un secret commercial. Bien que, à certains égards, ce processus soit similaire à la création de tapis isolants thermiques, j'ai eu la chance de visiter l'usine Saint-Gobain près de Yegoryevsk d'une manière ou d'une autre .

Nanofibres et forces électrostatiques


Deuxièmement , je voudrais apporter quelques précisions et ajouts au matériel des travaux précédents.

Pourquoi ne pas fabriquer des nanofibres (augmenter encore la surface)?

Si nous résolvons le problème d'obstruction d'un obstacle avec un flux d'air laminaire dans le cadre de l'hydrodynamique classique, alors nous arriverons inévitablement à la condition aux limites: à la surface des fibres, la vitesse du flux devrait être nulle, ce qui crée d'excellentes conditions pour le dépôt de particules. Cependant, lorsque les dimensions de l'obstacle sont trop petites, ce que l'on appelle l'effet de glissement se manifeste.

Dans un travail intéressant , l'hydrodynamique du flux de gaz autour d'une fibre ronde est discutée en détail. Un changement dans le profil de vitesse ou le régime d'écoulement est décrit en termes de nombre de Knudsen. Ainsi, pour l'air dans des conditions normales, le glissement du flux doit être pris en compte pour les fibres plus fines que ~ 0,5 microns, c'est pourquoi la majeure partie des fibres du filtre HEPA sont fabriquées avec des diamètres de 1 à 100 microns. Car c'est précisément cette gamme de tailles qui favorise l'engagement et le dépôt de particules relativement importantes en surface. Cependant, l'efficacité de ce mécanisme de dépôt diminue considérablement pour les particules inférieures à 0,3 μm, ce qui crée certaines difficultés.


Profils de vitesse de l'air près de la fibre filtrante (a) sans et (b) avec glissement d'écoulement incident Le

ruban d' écoulement est utilisé de manière intensive pour créer des filtres avec des fibres nanométriques, et le mécanisme de filtration lui-même change. Au lieu de s'emmêler, les particules se déposent principalement aux points de tissage des fibres, dont elles essaient de faire beaucoup, beaucoup.

Tion a ses propres développements dans ce domaine, nous permettant d'obtenir un maillage très fin de nanofibres pour créer: "une nappe composite filtrante à partir d'un mélange de polypropylène et de polyéthylène téréphtalate avec l'ajout de fibre de verre ." Une telle "bête" est même capable de retenir les plus petites gouttelettes de goudron dans la fumée de tabac.

Si l'électrofilage est utilisé pour la production de fibres, les fibres sont-elles chargées dans le processus? Vaut-il la peine de laver le filtre?

Ensuite, nous apportons une certaine clarté à la distribution des forces qui surviennent lors de l'interaction des particules de poussière et des fibres filtrantes. Étant donné que les fibres sont formées en faisant passer rapidement le polymère ou le verre fondu à travers les matrices (souvent également sous l'influence d'un champ électrique supplémentaire), en conséquence, les fibres portent une certaine charge excessive. De plus, une surcharge peut être créée en plus en traitant le matériau dans le plasma. Par exemple, le verre et le quartz sont très souvent utilisés comme électrets naturels et peu coûteux , en d'autres termes, un matériau avec une charge constante importante.

Les particules de poussière volant au-delà des fibres chargées peuvent effectivement être «arrachées» hors du courant en raison de l'action des forces électrostatiques (ou repoussées si la fibre et la particule sont chargées également). Curieusement, mais la grande majorité des micro et nanoparticules sont chargées, et en particulier les particules de poussière. Une charge se forme facilement à la surface des particules en raison de la friction contre l'air, les objets et la redistribution et la séparation des charges correspondantes. Bien sûr, nous ne le ressentons pas dans la vie de tous les jours, car quelques charges d'un électron (1,6 10 -19 coulomb) ne sont rien pour nous, mais pour un nanomonde c'est une énorme somme. Par exemple, c'est la base de toute l'industrie de l'électricité renouvelable - la triboélectricité, dont j'ai parlé plus tôt (parties 1 et 2 ).

Bien sûr, il existe une corrélation entre la charge de la fibre et l'efficacité de filtration. Une fibre de filtre trop chargée repoussera simplement les particules avec une charge du même signe, et l'efficacité chutera, mais les filtres complètement neutres ne seront pas suffisamment efficaces, donc le nombre d'or doit être respecté.

Un lecteur attentif remarquera qu'il existe des filtres entièrement électrostatiques qui chargent d'abord en plus des particules de poussière, puis éliminent efficacement presque toutes les particules d'un diamètre allant jusqu'à 10 nm! Cependant, c'est une histoire complètement différente, digne d'un article séparé.

Passer de la théorie à la pratique: ça vaut le coup de laver les filtres alors?!
Les tentatives pour ramener le filtre à son état d'origine sont vouées à l'échec, mais une partie de la pollution par lavage et élimination peut être éliminée, en particulier les grosses particules ou les groupes de particules. De plus, un tel filtre «restauré» servira beaucoup moins qu'un nouveau.

Je vous conseille également de lire une autre excellente publication sur les filtres .

La partie est expérimentale. Les filtres sont sales


Ainsi, les filtres suivants ont été fournis pour l'examen: F7 avec une durée de vie de 0 et 3 jours, 2 semaines et 6 mois, qui a nettoyé l' air frais de la taïga de Novossibirsk, ainsi que H11 (HEPA) de la capitale du nord.


Commençons par les filtres primaires F7. Une contamination importante du filtre commence à apparaître après deux semaines de fonctionnement dans une grande ville. La saleté, la poussière et le smog d'une mégalopole ne sont donc pas une expression vide de sens!


Jetez maintenant un œil aux filtres avec mon microscope électronique préféré. D'autres articles du quotidien examinés sous la menace d'une arme sont présentés dans les articles The World Around Us .

Comme déjà indiqué ci-dessus, le filtre se compose de deux parties - des fibres de base épaisses d'un diamètre de 50 à 100 microns et des fibres filtrantes minces. Les fibres elles-mêmes sont propres et lisses.


Même après trois jours d'utilisation, il est déjà possible de remarquer de grosses particules de poussière individuelles accrochées aux fibres (marquées de flèches rouges). Bien que les fibres de base restent relativement propres et, comme indiqué ci-dessus, ne participent pas à la filtration.


Après deux semaines, la quantité totale de pollution augmente considérablement. Les fibres individuelles sont recouvertes de particules submicroniques à peine perceptibles et même nanométriques (selon la classification IUPAC <100 nm, flèches bleues), des «membranes» de boue commencent à se former à certains endroits (marquées par un cercle violet).


La micrographie ci-dessous montre cela dans tous les détails en noir et blanc:


Après six mois d'utilisation, une partie importante de l'espace entre les fibres est remplie de poussière, de saleté et de particules diverses. Les films de saleté et de poussière recouvrent même les fibres de base épaisses, sans parler des fibres fines.


Ci-dessous est présentée, à mon avis, une micrographie très révélatrice montrant presque tous les mécanismes de dépôt de particules. L'inertie ou l'engagement a provoqué une grosse particule (flèche rouge), de petites particules se sont déposées en raison de la diffusion (flèche bleue). En raison de la prolifération progressive de la fibre filtrante avec de telles particules, un film se forme à la surface (marqué en violet).


En principe, le filtre peut être secoué, lavé, mais il est peu probable qu'il puisse revenir à un état complètement nouveau. Il convient également de considérer que la charge qui a été dépensée à la surface des fibres et compensée par les particules de poussière adhérentes, et par conséquent, le filtre lavé filtrera toujours et, plus important encore, maintiendra la poussière pire que neuve.

Ensuite, nous considérons brièvement le filtre HEPA et un exemple de son fonctionnement en conditions réelles pendant deux semaines.


Un filtre H11 propre n'est pas très différent du F7 discuté précédemment, à l'exception d'un garnissage plus dense de la fibre du filtre. Autrement dit, HEPA est simplement un filtre plus dense avec un diamètre de pore plus petit entre les fibres.


Après deux semaines d'utilisation de HEPA, cela peut sembler être un tout nouveau filtre, mais ce n'est pas tout à fait vrai. Bien sûr, la plupart de la poussière et de la saleté sont restées sur le filtre grossier F7, il est donc peu probable que de grosses particules soient trouvées en grande quantité.


Cependant, si nous le rapprochons dix fois, nous pouvons facilement constater que le filtre HEPA fonctionne en piégeant de très petites particules à la surface des fibres (flèches bleues). En plus du filtre F7, HEPA finit par «envahir» avec une couche de saleté (marquée en violet).



Au lieu d'une conclusion


Il était intéressant de suivre l'évolution de la pollution des filtres non pas par des particules de modèle sur un banc d'essai, mais dans les conditions réelles de fonctionnement d'une grande ville (et même de deux villes!). En fait, il s'avère que les fibres filtrantes prolifèrent avec une couche monolithique de saleté et de poussière au fil du temps, formant des «membranes» entre les fibres. D'une part, c'est bien, car cela augmente la section efficace de capture de plus en plus de nouvelles particules, d'autre part, le matériau du filtre lui-même devient moins perméable à l'air et, par conséquent, la charge sur la pompe augmente.

Répondre à la question: changer le filtre ou ne pas changer et laver? - Je peux répondre de cette façon: essayez, mais le produit lavé et / ou assommé se bouchera encore plus rapidement que le nouveau, chargeant à nouveau la pompe.

Texte et microphotographies préparés spécialement pour Tion © Tiberius.

PS: veuillez signaler les erreurs et les commentaires sur le texte via le LAN.

Source: https://habr.com/ru/post/fr397457/

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